超声的应用及展望-徐春龙

2001年9月第18卷第3期陕西师范大学继续教育学报(西安)JournalofFurtherEducationofShaanxiNormalUniversitySep.2001Vol.18No.3超声的应用及展望徐春龙1林书玉2(陕西师范大学物理学与信息技术学院硕士研究生1教授、博士生导师2西安710062)摘要:本文对超声的一般概念及其发展、超声在应用中的特点及其实际应用作了介绍;对超声应用的发展进行了展望。关键词:超声;换能器中图分类号:TB559文献标识码:A文章编号:1009-3826(2001)03-0102-03随着国民经济和科学技术的发展,超声学作为声学的重要分支,在国防、工业加工、医疗及日常生活中,得到越来越广泛的应用。所以,普及超声基本知识、介绍超声的广泛用途显得非常重要。本文将介绍超声学的基本知识、超声的应用特点及超声在有关方面的应用,同时对超声应用的发展进行展望。1超声及发展现代声学所涉及的频率范围很广,如图1,而超声只是声学中的一部分,它是声学的一个重要分支。所谓超声,是相对于人耳的听域范围而言的。正常人所能听到的声音频率在20～2×104HZ范围内,频率高于2×104HZ或低于20HZ人耳都听不到。频率高于2×104HZ的声音称为超声,频率低于20HZ的声音称为次声。2×1012×104×109×1012次声可听声超声微波超声光波超声10-510010410210121014图1声波频率范围由于人耳听域有限,所以在自然界中似乎超声不存在,其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分,即可听声部分,而即使是可听声部分的声音,有时仍然含有超声成分,只是人耳听不到。比如:自然界中许多动物发出的声音中就含有超声成分,蝙蝠是最出名的。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获昆虫,人类从18世纪起就开始研究它,一直延续至今,并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。关于蝙蝠的研究目前已深入到重点研究它们的听觉系统了[1]。其他动物如海豚、河豚、老鼠等也可以发出超声来。另外,固体材料中的点阵振动、金属片受到碰撞、管道上小孔漏气等都可以产生超声,超声在自然界中广泛存在。推动超声发展的动力,不仅在于超声在自然界中普遍存在,同时因为人们希望对自然现象进行探索和解释。早在1830年,FSavart就利用高速转动的多齿齿轮,第一次人工产生了频率为2.4×104HZ的超声,并依此来验证人耳的听域上限。1912年Titanic号客轮的沉没促使科学家提出用声学的方法来探测冰山,这对超声学的诞生起到了重大推动作用。第一次世界大战中,由于军事上对潜艇侦察的需要,PLangevin于1916年开始研究产生和运用水下超声作为侦察手段,这就是一般认为的现代超声学诞生的标志。促进超声发展的动力还在于超声有非常广泛的可用性,促使人们主动去研究,把超声应用于各方面,以满足人类的需求。超声探伤、超声测量、超声在医疗、物质间相互作用方面的应用等就是有关研究成果的应用,同时也导致了新学科的诞生,更加促进了超声的发展。在我国,解放前超声的研究是个空白。解放后不久,出现了很少量的超声学研究。大规收稿日期2001—04—16102模的超声研究开始于1965年。到目前,我国在超声学的各个领域都开展了研究和应用。有不少的项目和成果达到了国际水平。2超声的应用特点及应用超声可应用的领域广泛到可称为“杂”的地步。在超声的发展中,曾经把超声试用到不胜枚举而方向迥异的项目中。迄今也仍然不断有色彩缤纷的应用实践出现。关于超声的应用,按照习惯的分法,超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类:一类是利用超声的能量来改变材料的某些状态。另一类是利用超声来采集信息,特别是材料内部的信息。下面我们分别来介绍。(1)利用超声能量来改变材料的某些状态,就需要能产生相当大或比较大能量的超声,这就是大功率超声,或简称功率超声。声能是自然界中许多种能量的一种,从应用的角度看,超声能量可在有些场合显示其可用性,并具有它的特点,比如超声清洗。清洗看来似乎是极普通的、极平凡的工作,但像电路板等一类的产品的清洗却非常困难,要去除油污、焊渍等用常规方法显然不合适。必须依靠特殊洗液才能完成,但由于洗液具有腐蚀性,会带来环境污染,而且清洗效果不好,所以需要使用新的清洗方法。如用超声清洗的方法,情况完全不一样。由于超声的空化作用,可以获得突出的清洗效果,不但清洗效果好,而且不需要特殊洗液,不污染环境。所以,在高要求或大难度的场合,功率超声一直保持了其独特的地位。超声在对硬质材料的加工方面应用广泛。如超声切削、超声研磨、超声打孔等,它不但可以应用在对原材料的粗加工方面,而且可以应用在小尺度、精细作业中;不但可以对高强度金属材料作业,也可以对高强度宝石进行研磨、打孔等操作,比传统方法效率高,处理效果好。超声